齊春楠

（華北電力大學(xué)，北京 102200）

自改革開放以來(lái)，我國(guó)工業(yè)建設(shè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得了世界矚目的成就，然而在科技發(fā)展與生活便捷的同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)、燃料消耗、交通尾氣所引發(fā)的環(huán)境污染問(wèn)題也日益突出，開展大氣環(huán)境污染治理活動(dòng)刻不容緩[1]。北京市是我國(guó)的首都，其政治經(jīng)濟(jì)地位不言而喻。近年來(lái)隨著北京市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，其在交通運(yùn)輸與工業(yè)生產(chǎn)方面的污染物排放量逐年增大，而這些污染物的根源在于化石燃料的燃燒與汽車燃油。為了遏制空氣污染發(fā)展的嚴(yán)重態(tài)勢(shì)，北京市于2013年開始對(duì)燃煤施行控制，并在周邊區(qū)域進(jìn)行清潔能源生產(chǎn)改造，通過(guò)聯(lián)防聯(lián)控聯(lián)治手段顯著改善空氣質(zhì)量[2]。

對(duì)于北京市大氣污染物的變化特征，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。從年際變化與月度變化兩個(gè)維度對(duì)北京市2001～2010年大氣污染物數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)大氣污染物排放濃度表現(xiàn)為顯著的下降的趨勢(shì)且排放總量也逐年降低[3]。對(duì)2013年～2015年的大氣污染物數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)污染物氣體濃度具有明顯的月、日變化特征，并呈現(xiàn)出夏低冬高、午低夜高的變化特點(diǎn)[4]。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文所使用的大氣污染物濃度數(shù)據(jù)為2016～2020年北京市各國(guó)控站點(diǎn)日均值數(shù)據(jù)，各污染物濃度數(shù)據(jù)值均取整數(shù)，其中O3數(shù)據(jù)為每日最大8小時(shí)平均數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站（http：//www.cnemc.cn/）。各氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)地面氣候資料日均值數(shù)據(jù)集V3.0》。

本研究基于日均值數(shù)據(jù)計(jì)算出月均值與季度均值，其計(jì)算邏輯為將每個(gè)自然月內(nèi)的日均值進(jìn)行平均值運(yùn)算得到月均值，將每個(gè)季度內(nèi)的月均值進(jìn)行平均值運(yùn)算得到季度平均值，季度的劃分依據(jù)是：3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月、1月、2月為冬季。

2 北京市各大氣污染物的濃度時(shí)間變化特征

2.1 AQI變化特征

AQI是基于六項(xiàng)常規(guī)監(jiān)測(cè)污染物計(jì)算所得出的、用來(lái)衡量空氣質(zhì)量綜合情況的指標(biāo)，從北京市2016～2020年各季節(jié)AQI變化趨勢(shì)圖（圖1）中可以看出：2016年各季節(jié)AQI較為平穩(wěn)，變化幅度不明顯；2017年秋季AQI明顯低于其他三個(gè)季節(jié)；2018年從春季到冬季，AQI變化呈持續(xù)下降趨勢(shì)；2019年和2020年均表現(xiàn)為夏季AQI高于其他三季。從綜合情況來(lái)看，春季、夏季的五年AQI季節(jié)平均值（約100左右）高于秋冬兩季（約90左右）。自2016年至2020年，各季節(jié)AQI雖有小幅度反彈，但整體呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。

圖1 北京市2016～2020年各季節(jié)AQI變化圖

從北京市2016～2020年各月份AQI變化趨勢(shì)圖（圖2）中，可以看出：從全年趨勢(shì)情況來(lái)看，北京市逐月AQI呈現(xiàn)出中間高兩邊低的趨勢(shì)，5月、6月、7月的AQI平均值均高于100。逐年來(lái)看，自2016年至2020年，每個(gè)自然月內(nèi)AQI月均值呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，其中，2016年2月最低，1月也處于較低水平，但是由于12月AQI突升至168，達(dá)到全年最高水平，因此拉高冬季整體AQI均值。12月數(shù)據(jù)突升是由于2016年12月1日至5日，北京市發(fā)生了5級(jí)空氣重污染。

圖2 北京市2016～2020年各月份AQI變化圖

2.2 PM2.5時(shí)間變化特征

如圖3所示，PM2.5濃度2016～2020年呈逐年下降趨勢(shì)，平均每年下降9.140 μg/m3。除2020年年均值外，其余年份年均值均未達(dá)到《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）二級(jí)濃度限值35 μg/m3。分季節(jié)來(lái)看，除2018年外，其余年份均表現(xiàn)為冬季最高，春季第二，秋季第三，夏季最低。北京地區(qū)屬“煤煙型”大氣污染，冬季濃度高的根源在于冬季需燃煤供暖，夏季濃度最低是由于北京屬北溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，降水可有效去除空氣中懸浮的細(xì)顆粒物。2018年3月北京市長(zhǎng)時(shí)期無(wú)有效降水，出現(xiàn)過(guò)兩次沙塵天氣，污染物擴(kuò)散條件達(dá)歷史六年同期最差，當(dāng)月PM2.5月均濃度為90 μg/m3。

圖3 北京市2016～2020年各季節(jié)PM2.5變化圖

如圖4所示，北京市PM2.5濃度在月份維度上表現(xiàn)為波浪式分布，在3月、7月、11月時(shí)均有峰值出現(xiàn)。2016年月均濃度最高值出現(xiàn)在12月（133 μg/m3），除此以外其余年份月均濃度最高值均出現(xiàn)在1月或2月，主要還是冬季燃煤取暖所致。2016年月均濃度最低值出現(xiàn)在2月（44 μg/m3），除此以外其余年份月均濃度最低值均出現(xiàn)在8月或9月。

圖4 北京市2016～2020年各月份PM2.5變化圖

2.3 PM10時(shí)間變化特征

如圖5所示，PM10污染物2016～2020年呈微弱逐年下降趨勢(shì)，平均每年下降8.809 μg/m3。年均值由92 μg/m3降至57 μg/m3，同比下降61.4%。分季節(jié)來(lái)看，其濃度變化表現(xiàn)為春季最高，冬季第二，秋季第三，夏季最低。2017年冬季與秋季PM10濃度差異較大，達(dá)16 μg/m3，其余年份差值較小，約1～5 μg/m3。五年中2018年春季濃度最高，為122 μg/m3。

圖5 北京市2016～2020年各季節(jié)PM10變化圖

北京市2016～2020年各月份PM10變化如圖6所示，各自然年內(nèi)均呈現(xiàn)出兩邊高中間低的“U”形趨勢(shì)，1月、12月較高，8月最低。春季3月～5月PM10濃度值均保持在全年范圍內(nèi)的較高水平，說(shuō)明PM10污染主要出現(xiàn)在春季，其原因是春季北京氣候干燥，風(fēng)力大、風(fēng)沙大，頻發(fā)沙塵暴天氣。

圖6 北京市2016～2020年各月份PM10變化圖

2.4 O3、NO2、SO2、CO時(shí)間變化特征

北京市O3、NO2、SO2、CO此四項(xiàng)氣態(tài)污染物2016～2020年的變化趨勢(shì)如圖7所示：O3年均值波動(dòng)不大，穩(wěn)定在95～102 μg/m3，僅2018年（102 μg/m3）超出《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095～2012）一級(jí)濃度限值100 μg/m3。NO2年均值呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，由2016年46 μg/m3下降至2020年24 μg/m3，同比下降46.8%。SO2年均值呈穩(wěn)定逐年下降趨勢(shì)，由2016年10 μg/m3下降至2020年3 μg/m3，同比下降66.2%，遠(yuǎn)低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）一級(jí)濃度限值。CO年均值呈逐年明顯穩(wěn)定下降趨勢(shì)，由2016年1.7 mg/m3下降至2020年0.8 mg/m3，同比下降52.9%。

圖7 北京市2016～2020年各年份O3、NO2、SO2、CO變化圖

從季節(jié)表現(xiàn)上來(lái)看，O3四季濃度由高到底依次為：夏季、春季、秋季、冬季，且夏季明顯高于其他三季。就五年綜合趨勢(shì)來(lái)看，春夏兩季略有下降，秋冬兩季略有提升。2018年NO2的最高值出現(xiàn)在秋季，其余年份最高值均出現(xiàn)在冬季，而五年最低值均出現(xiàn)在夏季，且明顯低于其他三季，2016年和2020年秋冬兩季濃度值相差不大。CO四季濃度值2018年變化不明顯，其余年份均表現(xiàn)為冬季明顯高于其他三季。除夏季外，其余三季均有明顯的下降趨勢(shì)。SO2最高值均出現(xiàn)在冬季，最低值均出現(xiàn)在夏季，各季節(jié)均呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)。

北京市O3、NO2、SO2、CO此四項(xiàng)氣態(tài)污染物2016～2020年各月份的變化趨勢(shì)如圖8所示：NO2、SO2、CO三者相關(guān)性較高，變化趨勢(shì)比較一致。NO2最高值一般出現(xiàn)在冬季12月或1月，最低值出現(xiàn)在7月；SO2最高值一般出現(xiàn)在冬季12月或1月，最低值出現(xiàn)在8月；CO最高值一般出現(xiàn)在冬季12月或1月，最低值出現(xiàn)在5月。冬季污染嚴(yán)重的主要原因是燃燒取暖，化石燃料燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的大氣污染物，且北京冬季的氣候特點(diǎn)是溫度低、光照弱，使得光化學(xué)反應(yīng)速率減慢，污染物無(wú)法及時(shí)轉(zhuǎn)化消除。此外，冬季存在逆溫，即垂直結(jié)構(gòu)上地面上的大氣氣溫隨著高度的增加而升高，使得污染物擴(kuò)散條件變差，進(jìn)而造成污染。O3的變化特征與其他三項(xiàng)氣態(tài)污染物截然不同，呈現(xiàn)“倒U”形趨勢(shì)，最高值出現(xiàn)在其他污染物濃度最低的夏季，約6月前后，最低值出現(xiàn)在其他污染物濃度最高的冬季。造成此現(xiàn)象的原因主要是夏季溫度較高，光照也比較強(qiáng)烈，這為光化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造出極為有利的反應(yīng)條件，進(jìn)而致使O3濃度升高。

圖8 北京市2016-2020年各月份O3、NO2、SO2、CO變化圖

3 空氣質(zhì)量級(jí)別與首要污染物變化特征

《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》中對(duì)空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）、空氣質(zhì)量分指數(shù)（IAQI）和首要污染物進(jìn)行定義，又根據(jù)AQI大小取值范圍u將空氣質(zhì)量指數(shù)類別分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染這六個(gè)等級(jí)。如圖9所示，北京市優(yōu)良天數(shù)比例逐年升高，由2016年的54.1%提升至2020年的76.8%。2016～2018年的嚴(yán)重污染天數(shù)逐年減少，分別為9天、5天、1天，2019～2020年無(wú)嚴(yán)重污染。逐年逐月來(lái)看，五年內(nèi)優(yōu)良天數(shù)比例最低的月份均在6月左右，其中2020年6月優(yōu)良天數(shù)比僅為26.67%。2016～2020年內(nèi)，北京市首要污染物有O3、NO2、PM2.5、PM10。O3主要發(fā)生在夏季，NO2主要發(fā)生在秋季與冬季，PM2.5主要發(fā)生在春季、秋季、冬季，PM10主要發(fā)生在春季。此項(xiàng)數(shù)據(jù)表明：北京市大氣污染已不再是單一的顆粒物污染所造成的霧霾問(wèn)題，臭氧污染已愈發(fā)嚴(yán)重，應(yīng)得到重視與治理。

圖9 北京市2016～2020年空氣質(zhì)量級(jí)別占比天數(shù)堆積圖

4 氣象因素與大氣顆粒物濃度相關(guān)性分析

氣象因素會(huì)通過(guò)影響大氣污染物的沉積、擴(kuò)散、生成、轉(zhuǎn)化進(jìn)而影響其濃度范圍，前文研究已表明大氣污染物的濃度表現(xiàn)具有明顯的季節(jié)變化特征，因此本節(jié)將對(duì)六項(xiàng)大氣污染物與氣象因素中的氣溫、風(fēng)速、降水、濕度、日照進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，探究氣象因素對(duì)大氣污染物的影響，結(jié)果見表1。

表1 2020年北京市六項(xiàng)大氣污染物濃度與氣象因素相關(guān)性

春季時(shí)，平均氣溫與SO2呈顯著正相關(guān)，與O3、PM10呈極顯著正相關(guān)；風(fēng)速與O3呈顯著負(fù)相關(guān)，與NO2、SO2、CO、PM2.5呈極顯著負(fù)相關(guān)，主要是由于風(fēng)速越大，污染物擴(kuò)散速率越快，濃度也隨之降低；濕度與NO2呈顯著正相關(guān)，與CO、PM2.5呈極顯著正相關(guān)，空氣濕度增大時(shí)，空氣中的懸浮細(xì)顆粒物氣溶膠發(fā)生吸濕作用，吸收水汽體積增大，形成霧或霾；日照與NO2呈顯著負(fù)相關(guān)，與CO、PM2.5呈極顯著負(fù)相關(guān)。

夏季時(shí)，平均氣溫與NO2呈顯著正相關(guān)，與O3、PM10呈極顯著正相關(guān)；降水與NO2、O3、PM10呈極顯著負(fù)相關(guān)；濕度與NO2、O3、PM10呈極顯著負(fù)相關(guān)，與SO2呈顯著負(fù)相關(guān)；日照與CO、PM2.5呈顯著負(fù)相關(guān)。夏季氣溫高，降水量增大，空氣濕度增加，空氣中的水蒸氣中含有大量自由基·OH、·HO2，這些自由基會(huì)將O3快速分解為氧分子，使得O3濃度下降。

秋季時(shí)，平均氣溫與NO2呈顯著負(fù)相關(guān)，與O3呈極顯著正相關(guān)；風(fēng)速與SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10呈極顯著負(fù)相關(guān)；降水與PM10呈顯著負(fù)相關(guān)；濕度與CO、O3、PM2.5呈極顯著正相關(guān)；日照與NO2呈顯著負(fù)相關(guān)，與CO、PM2.5呈顯著負(fù)相關(guān)。北京秋季為高濕天氣，小顆粒污染物在高濕度時(shí)凝聚成大顆粒物。

冬季時(shí)，平均氣溫與SO2、NO2呈顯著正相關(guān)，與CO、O3、PM2.5、PM10呈極顯著正相關(guān)；風(fēng)速與SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10呈極顯著負(fù)相關(guān)；濕度與SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10呈極顯著正相關(guān)；光照與PM2.5、PM10呈顯著負(fù)相關(guān)，與CO呈極顯著負(fù)相關(guān)。冬季北京受高氣壓影響，大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，地面溫度較低，容易形成逆溫輻射，因此不利于污染物的擴(kuò)散稀釋。

5 結(jié)論

（1）北京市大氣污染物具有明顯的季節(jié)變化特征，顆粒物污染物中：PM2.5冬季最高，夏季最低；PM10春季最高，夏季最低；氣態(tài)污染物中：NO2、SO2、CO三者趨勢(shì)相近，均表現(xiàn)為冬季最高、夏季最低；O3濃度變化與其他氣態(tài)污染物相反，表現(xiàn)為夏季最高，春冬季最低。

（2）北京市2016～2020年優(yōu)良天數(shù)比例不斷提高，嚴(yán)重污染與重度污染天數(shù)持續(xù)下降，說(shuō)明大氣治理手段取得初步成效。本文研究時(shí)間段內(nèi)，北京市的首要污染物為O3、NO2、PM2.5、PM10，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于O3污染的研究與管控。

（3）北京市大氣污染物與氣象因素具有較高的相關(guān)性，具體表現(xiàn)為：氣溫上升時(shí)，污染物分子間運(yùn)動(dòng)速率加快，化學(xué)反應(yīng)速率加快，污染物濃度升高。風(fēng)速越大，污染物的水平輸送與稀釋擴(kuò)散速度就越快，濃度越低。降水對(duì)大氣污染物具有清潔去除作用。濕度越高，污染物的吸濕作用越明顯，濃度越高。日照強(qiáng)度可以影響光化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而影響污染物濃度。